מאת: ד"ר אשר פרדו, מחלקת מחקר של המוסד לבטיחות ולגיהות
תאריך:22/07/2018
מדפסות תלת-מימד נמצאות כיום בשימוש רחב. ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית מדפסות אלו ועלותן הסבירה הפכה אותן למוצר פופולרי ונפוץ במגזר התעסוקתי-יצרני, במגזר המסחרי והשירותי ובסביבה הביתית. שימושן התפשט בתחומים רבים כגון תעשיה אלקטרונית, תעשיית כלי רכב, בניין, תעשיית הרהיטים, תעשיית התעופה והחלל, שימוש משרדי ומוצרי צריכה ביתיים. לא פחות יצירתי הוא השימוש בתחום מדעי הרפואה וייצור פריטים רפואיים כגון שתלים ותותבים. בתחום הארכיאולוגיה ניתן להשתמש במדפסות לשחזור פריטים היסטוריים, ושימוש קיים גם בתחום החינוך, הבידור אופנה ואומנות. השימוש צפוי להתרחב לתחומים רבים נוספים.
קיימות מספר טכנולוגיות להדפסה תלת-מימדית, אולם הנפוצות בהן הן טכנולוגיות המשתמשת בחומרי גלם שונים שמותכים בתא מיוחד במדפסת. מקור האנרגיה להתכה יכול להיות חימום חשמלי, לייזר, אולטרה סאונד. החומר המותך מוזרק דרך נקב או פתח אחר ובונה את הצורה המבוקשת. טמפרטורת ההתכה משתנה בהתאם לחומר הגלם המעובד ועשויה להגיע למאות מעלות. תהליך הייצור מבוקר ע"י תוכנת מחשב שיוצרת דגם תלת מימדי של תבנית המוצר ומאפשרת לייצר את התבנית באופן מתוכנת ומדוייק. תכנת המחשב מוזנת למדפסת לצורך הדפסתה באופן תלת-מימדי. החומר המוזרק בונה את המוצר בטכניקה שכבתית ע"י הזרקת שכבה אחר שכבה, כאשר אחת שוקעת על השניה, עד להשלמת המוצר.
על אף שחומרי הגלם להדפסה תלת-מימדית כוללים גם מתכות, חומרים קרמיים ונייר, חומרי הגלם הנפוצים ביותר בטכנולוגיה הם חומרים פלסטיים פולימרים. הם מותכים בחום במדפסת, בונים את שכבות המוצר ומתמצקים בקירור או בטכניקה אחרת כגון הקרנה בקרינה אולטרה-סגולה.
הדפסת תלת-מימד היא אמנם טכנולוגיה אטרקטיבית, אולם צריך להיות מודעים לסיכונים מסויימים שעלולים להתפתח בעת השימוש בה ע"י עובדים וציבור רחב. מקור הסיכונים הכימיים הוא בחומרי הגלם הפלסטיים בהם משתמשים להדפסה. סוגי הפלסטיק הנפוצים יותר בתהליך הם חומר העשוי מתערובת של אקרילוניטריל, בוטדיאן וסטירן (ABS) וחומר העשוי מחומצה פולי-לקטית (PLA). חומרים פלסטיים נוספים מהם עשויים חומרי גלם להדפסת תלת-מימד הם ניילון, פוליאתילן טרפתלאט (PET) וחומר הנושא את השם PEEK והוא חדש יחסית לאחרים. יחד עם מרכיבים אלה נמצאים חומרים תומכים למילוי וחיזוק מכני של הפלסטיק ובהם פוליקרבונט, סטירן צפוף, פולי-וינילאלכוהול (PVA) וחלקיקי נחושת.
ידוע כי בעת חימום חומרים פלסטיים לטמפרטורות גבוהות חלים תהליכי פירוק בחום בפלסטיק ותוצרי הפירוק הם לרוב חומרים אורגניים נדיפים (VOC), גזים אנאורגניים מסויימים וחלקיקים זעירים מאד שסדר הגודל שלהם נמוך מ- 1 מיקרומטר, כלומר הם נמצאים בתחום הננומטרי. סוג החומרים הנפלט וכמותם תלויים בגורמים שונים ובעיקר בסוג חומר הגלם ובטמפרטורת ומשך התהליך. בטמפרטורת תהליך ההדפסה תוצר הפליטה העיקרי מהפלסטיק ABS הוא סטירן (למעלה מ- 50% מסך החומרים האורגניים הנדיפים). תוצר הפליטה העיקרי מהפלסטיק PLA הוא מתיל מתאקרילט (40% - 60% מסך החומרים האורגניים הנדיפים) הנפלט בריכוזים נמוכים יותר מהסטירן. שני חומרים אלה נמצאו כרעילים למערכת העצבים לאחר חשיפה ממושכת וכתלות בריכוז הנקלט בנשימה. אגב, שני החומרים מופיעים בתקנות הפיקוח על העבודה בישראל הקובעות באילו תנאי עבודה בחומרים יש לפקח על בריאות העובדים בהם. חומרים נדיפים נוספים עלולים להפלט בתהליך ההדפסה ובהם חומרים המוכרים כמזיקים לבריאות.
ניסויים נעשו על מספר חומרי גלם פלסטיים כדי לבדוק את סוג החומרים הנפלט ואת טמפרטורות הפליטה. הממצאים הראו כי פירוק תרמי מסיבי של החומר מתרחש בטמפרטורות גבוהות דיין (בערך פי 1.5 – 2) בהשוואה לטמפרטורת ההדפסה במדפסת. אולם גם בטמפרטורת ההדפסה נפלטים תוצרי פירוק נדיפים וחומר הגלם מאבד אחוזים בודדים ממשקלו ההתחלתי – ממצא המאשש פליטת חומרים אורגניים נדיפים לאוויר בתהליך ההדפסה. בין החומרים שנמצאו באוויר תוך 10 דקות הפעלה של המדפסת נכללו טולואן, סטירן, אתיל בנזן, אצטון, מתיל מתאקרילט, ובמקרה של החומר הפלסטי על בסיס פוליאתילן גם עקבות של פורמאלדהיד. בתוך תא המדפסת הוערכו ריכוזים גבוהים הרבה יותר מאלה שנמצאו באוויר. ניסויים למדידת קצב הפליטה של חומרים נדיפים מהמדפסת הראו קצב של מיקרוגרמים עד עשרות מיקרוגרמים לדקה מכל חומר נפלט. יש לציין כי ריכוזי החומרים שנפלטו לאוויר נמוכים מאד ביחס לרמות מרביות מותרות לחשיפה, אולם עצם פליטתם מצביע על פוטנציאל מסויים לחשיפה נשימתית של עובדים וציבור רחב בתהליך ההדפסה, בייחוד כאשר הוא ארוך. בהקשר זה ראוי לציין כי אין מספיק מידע מדעי על תגובת הגוף לכלל תערובת החומרים כמיקשה אחת. בתעשיית הפלסטיק מוכר כי בתנאי טמפרטורה גבוהה מאד עלול אחד מסוגי הפלסטיק הנפוצים בהדפסת תלת-מימד לפלוט שני גזים, פחמן חד חמצני וחומצה ציאנית, כתוצרי פירוק בחום. אולם יש להדגיש כי תופעה זו מתרחשת בטמפרטורות גבוהות בהרבה מהטמפרטורות בהן מופעלות מדפסות תלת-מימד ולכן הסבירות לפליטת גזים אלה בתהליך ההדפסה נמוכה מאד.
יחד עם החומרים הנדיפים נפלטים גם חלקיקים זעירים בתחום הגודל העל-עדין, דהיינו קטנים מ- 100 ננומטר. עבודות מחקר בודדות על פליטת חלקיקים כאלה לאוויר במשך תהליך ההדפסה הראו ריכוזי חלקיקים בתחום 106 – 107 חלקיקים לכל סמ"ק אוויר. חישוב תיאורטי של ריכוז אפשרי של חלקיקים אלה באוויר הראה שריכוזם עלול להגיע לרמות מרביות מותרות לחשיפה לציבור הרחב כאשר מדובר בחלקיקים קטנים מ- 2.5 מיקרומטר (PM2.5). המדע והמידע על השפעתם של חלקיקים אלה עדיין איננו מלא, אך ניסויי חיות הראו חדירה של חלקיקים כאלה לאזורים שונים בגוף על אף מחסומים ביולוגיים טבעיים בו ואפשרות לנזק דלקתי בדרכי הנשימה. בתהליך עלולה להתרחש חשיפה גם לחלקיקי אבק בתהליכי גימור וניקוי של מוצרי ההדפסה.
קיים הבדל בין משתמשים של מדפסות תלת-מימד במפעלים גדולים לבין משתמשים במפעלים קטנים ובשימוש ביתי. המפעלים הגדולים משתמשים במדפסות גדולות המצויידות בד"כ באמצעי בקרה הנדסיים על הפליטות ויש להם נהלי הגנה על העובדים. מדפסות במפעלים קטנים ובבית הן בד"כ זולות יותר והתהליך מתבצע בסביבה פתוחה וללא הגנה מספקת על המשתמש. שימוש במסננים מסוג HEPA במדפסת עשוי לצמצם מאד את פליטת החלקיקים הזעירים, אם כי לא לחלוטין, ומסנן זה אינו חוסם את פליטת החומרים הנדיפים. מסננים פוטוקטליטיים עשויים להיות פתרון נאות לבעיה. אמצעים נאותים נוספים לבקרת הפליטות הם מערכות שונות של איוורור מקומי משולבות במערכות של איוורור מוהל.
טיבם של מחקרים בנושא הנדון ונושאים אחרים הוא ביצוע ניסויים בתנאים מבוקרים. אי לכך יש צורך להרחיב את המידע על תוצרי פליטה ממדפסות תלת-מימד בתנאים של הפעלה במקומות עבודה. תוצאות ניסויים כאלה עשויות להיות שונות מהתוצאות שנמצאו במחקרים. בכל מקרה, יש לעודד נקטיה באמצעים נאותים של סינון ואיוורור במקומות בהם הם חסרים כדי להגיע להפעלה בטוחה של מדפסות תלת-מימד.
מקור: